1 inteligência artificial aplicada a sistemas de controle e automação das 6607 simulador da...
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Inteligência Artificial Aplicada aSistemas de Controle e Automação
DAS 6607
Simulador da Produção
Departamento de Automação e Sistemas
Universidade Federal de Santa Catarina
Professor:Guilherme Bittencourt
Aluno: Denis Pinha
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TópicosTópicos
IntroduçãoExemplo de um problema (Contexto)Universo de Soluções, complexidade e técnicas para resolver o problema Hierarquia dos frames (objetos ou conceitos) de um simulador de fábricaApresentação básica de um simulador de produção desenvolvido para uma empresa
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Introdução: O que é Inteligência Introdução: O que é Inteligência Artificial?Artificial?
Conjunto de técnicas para resolver problemas complexos, isto é, problemas que, apesar de não ter solução algorítmica , são solucionados por seres humanos.
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Introdução ao ambiente Introdução ao ambiente fabrilfabril
o conhecimento sobre o mundo não precisa, necessariamente,
obedecer a nenhuma propriedade matemática global, como
coerência ou completude. Sua adequação deve ser medida pela sua
utilidade na solução de problemas práticos;
Ex:
Cabine de Pintura , Operações
Simultâneas, Peças Conjugadas, Estoque
Alto
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SEQÜENCIAMENTO DA SEQÜENCIAMENTO DA PRODUÇÃOPRODUÇÃO
Problema Introdutório:Problema Introdutório:O Caso dos LeitoresO Caso dos Leitores
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EnunciadoEnunciadoParte 1Parte 1
Alberto (A), Bruno (B), Carlos (C) e Daniel (D) moram juntos. Aos domingos, pela manhã, gostam de ler os jornais O Globo (GlGl), Jornal do Brasil (JBJB), O Dia (DiDi) e o semanário Casseta e Planeta (CPCP), que recebem à porta de casa por volta das 8:00 horas.
Além disso, após todos terem lido todos os jornais, desejam sair juntos, e o mais cedo possível, para a praia no (único) carro que possuem.
A hora em que acordam, bem como a ordem em que preferem ler os jornais e os respectivos tempos de leitura, podem ser vistos no quadro apresentado a seguir.
Por uma questão de organização, os jornais não são subdivididos em partes ou cadernos e, portanto, só podem ser lidos por uma pessoa de cada vez.
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DadosDados
Ordem
LEITOR ACORDA Tempo de leitura
Alberto 8:30 JB Gl Di CP
60 min 30 min 2 min 5 min
Bruno 8:45 Gl Di JB CP
75 min 3 min 25 min 10 min
Carlos 8:45 Di Gl JB CP
5 min 15 min 10 min 30 min
Daniel 9:30 CP JB Gl Di
90 min 1 min 1 min 1 min
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QuestõesQuestões
Supondo que os quatro amigos conseguem se alimentar e realizar as suas higienes matinais enquanto estão lendo os jornais, pergunta-se:
Qual a relação deste enunciado com o de um problema de programação e controle da produção? Isto é, o que seriam neste enunciado os:
• Produtos ou itens• Máquinas ou recursos de produção• Tempos de operação ou de fabricação• Roteiros de produção• Prioridades ou seqüências de produção
Quais técnicas ou ferramentas de Sistemas, Planejamento e Controle da Produção e/ou Pesquisa Operacional podem ser usadas para a solução do problema ?
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QuestõesQuestões
Qual a seqüência de leitura de cada jornal (isto é, quem lê o
quê em primeiro, segundo, terceiro e quarto lugar) que permite
a Alberto, Bruno, Carlos e Daniel saírem juntos o mais cedo
possível para a praia? Que hora é esta ?
É possível provar que a resposta dada ao item anterior é a
resposta ótima do problema ? Como ?
Supondo que os quatro amigos possam ler os jornais em
qualquer ordem, quantas soluções possíveis tem esse
problema?
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QuestõesQuestões
Nesse caso, considerando que um computador rápido leva um
segundo para processar (isto é, encontrar e avaliar) mil
soluções possíveis do problema, qual o tempo computacional
necessário para pesquisar todo o universo de soluções com o
objetivo de se encontrar a solução ótima ? Expresse este
tempo na maior unidade possível (isto é segundos, minutos,
hora, dia, semanas, meses ou o que for apropriado).
Como este tempo computacional cresceria se o número de
leitores passasse a ser cinco ? E se fossem seis os leitores ?
E se fossem sete ?
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SEQÜENCIAMENTO DA SEQÜENCIAMENTO DA PRODUÇÃOPRODUÇÃO
Problema Introdutório:Problema Introdutório:O Caso dos LeitoresO Caso dos Leitores
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AnalogiasAnalogias
Qual a relação do problema com a programação e controle
da produção? Isto é, o que seriam no enunciado os:
Produtos ou itens ?
Seriam as pessoas: Alberto, Bruno, Carlos e Daniel.
Máquinas ou recursos de produção ?
Seriam os jornais: Jornal do Brasil, Globo, Dia e
Planeta.
Tempos de operação ou de fabricação ?
Seriam os tempos estimados de leitura.
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Solução GráficaSolução Gráfica
Qual a seqüência de leitura de cada jornal (isto é, quem lê o
quê em primeiro, segundo, terceiro e quarto lugar) que permite
ao Alberto, Bruno, Carlos e Daniel saírem juntos o mais cedo
possível para a praia? Que hora é esta ?
Para solução da questão será utilizado um método de
"tentativas e erros". Serão testadas três alternativas
baseadas em três hipóteses distintas de priorização (isto
é, seqüência de leitura de cada jornal), escolhendo-se o
melhor resultado obtido.
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Solução 1Solução 1Ordem
LEITOR ACORDA Tempo de leitura
Alberto 8:30 JB Gl Di CP60 m 30 m 2 m 5 m
Bruno 8:45 Gl Di JB CP75 m 3 m 25 m 10 m
Carlos 8:45 Di Gl JB CP5 m 15 m 10 m 30 m
Daniel 9:30 CP JB Gl Di90 m 1 m 1 m 1 m
JB
Gl
Di
CP
DanielAlberto Bruno Carlos
9:30 10:008:30 8:45 12:0010:15 11:00
Jornal Leitor 1 Leitor 2 Leitor 3 Leitor 4
JB
Gl
Di
CP
AA
11:5111:51
BB
CC
DD
DD
DD
DD
BB
BB
BB
CC
CC
CC
AA
AA
AA
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Solução 1 / ObservaçõesSolução 1 / Observações
• O Roteiro (que é uma restrição do problema) pode levar a jornais ociosos .
ex: às 10:00 horas, Bruno pega O Dia ao invés do Jornal do Brasil (que assim fica mais tempo ocioso), porque o seu roteiro obriga que assim seja.
10:00
JB
Gl
Di
CP
12:0010:15 11:009:30 10:008:30 8:45
DanielAlberto Bruno Carlos
Ordem
LEITOR ACORDA Tempo de leitura
Alberto 8:30 JB Gl Di CP60 m 30 m 2 m 5 m
Bruno 8:45 Gl Di JB CP75 m 3 m 25 m 10 m
Carlos 8:45 Di Gl JB CP5 m 15 m 10 m 30 m
Daniel 9:30 CP JB Gl Di90 m 1 m 1 m 1 m
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Solução 1 / ObservaçõesSolução 1 / Observações
• A Seqüência (que é fruto da solução adotada) pode levar a
leitores ociosos .
ex: às 10:15 horas, Carlos pode pegar o Jornal do Brasil mas tem que esperar Daniel, porque a seqüência de produção adotada obriga que assim seja.
JB
Gl
Di
CP
12:0010:15 11:009:30 10:008:30 8:45
DanielAlberto Bruno Carlos
Ordem
LEITOR ACORDA Tempo de leitura
Alberto 8:30 JB Gl Di CP60 m 30 m 2 m 5 m
Bruno 8:45 Gl Di JB CP75 m 3 m 25 m 10 m
Carlos 8:45 Di Gl JB CP5 m 15 m 10 m 30 m
Daniel 9:30 CP JB Gl Di90 m 1 m 1 m 1 m
Jornal Leitor 1 Leitor 2 Leitor 3 Leitor 4
JB
Gl
Di
CP
AA
BB
CC
DD
DD
DD
DD
BB
BB
BB
CC
CC
CC
AA
AA
AA
10:15
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Solução 3Solução 3Ordem
LEITOR ACORDA Tempo de leitura
Alberto 8:30 JB Gl Di CP60 m 30 m 2 m 5 m
Bruno 8:45 Gl Di JB CP75 m 3 m 25 m 10 m
Carlos 8:45 Di Gl JB CP5 m 15 m 10 m 30 m
Daniel 9:30 CP JB Gl Di90 m 1 m 1 m 1 m
JB
Gl
Di
CP
12:0011:159:458:30 8:45
DanielAlberto Bruno Carlos
Jornal Leitor 1 Leitor 2 Leitor 3 Leitor 4
JB
Gl
Di
CP
AA
11:3011:30
BB
CC
DD
DD
DD
DD
BB
CC
CC
AA
AA
AA
BB
BB
CC
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Conclusão do ProblemaConclusão do ProblemaComparando-se as três soluções verifica-se que a melhor
solução é a terceira. Um resultado nada óbvio já que das três hipóteses examinadas essa é aquela onde mais leitores são submetidos a esperas forçadas (vide quadro abaixo).
Solução Fim Planejado Esperas Forçadas
1 11:45 Bruno de 10:03 até 11:11
Carlos de 9:15 até 11:01
2 11:45 ---
3 11:30Alberto de 8:30 até 9:15
Bruno de 8:45 até 9:05
Daniel de 9:30 até 9:45
JB
Gl
Di
CP
12:0011:159:458:30 8:45
DanielAlberto Bruno Carlos
11:30
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ConclusãoConclusão
Portanto, decisões “locais” que, à primeira vista, possam parecer irracionais,
JB
Gl
Di
CP
12:0011:159:458:30 8:45
DanielAlberto Bruno Carlos
11:30
Por exemplo,
Alberto acorda, todos continuam
dormindo, o seu jornal preferido
(JB) está disponível, e mesmo
assim ele é impedido de lê-lo
antes de Carlos que, por sua vez,
só acordará 15 minutos depois, e
ainda lerá 2 outros jornais antes
de pegar o JB !
numa visão “global” e estruturada do problema - proporcionada pelo gráfico de Gantt - mostram-se perfeitamente lógicas .
Aqui, o entendimento integral do problema mostra como a paciência (de Alberto, Bruno e Daniel) pode ser uma virtude necessária e compensadora !
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Análise do Melhor CasoAnálise do Melhor Caso
Como provar que esta resposta é ótima ?
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Solução ÓtimaSolução Ótima
• O que não significa que seja a única solução ótima !
JB
Gl
Di
CP
12:0011:159:458:30 8:45
DanielAlberto Bruno Carlos
11:3011:30
• Por exemplo, podemos só inverter os 2 últimos leitores do
Planeta na Solução 3 :
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Universo de SoluçõesUniverso de Soluções
Caso os quatro amigos possam ler os jornais em qualquer
ordem, quantas soluções possíveis tem esse problema ?
Se houvesse apenas um jornal, haveria (4 !) = 24 soluções(4 !) = 24 soluções de seqüenciamento.
Como, entretanto, há quatro jornais em questão e o seqüenciamento da leitura de cada um deles é independente da seqüência de leitura dos demais, há
(4 !)(4 !)44 = 331.776 soluções = 331.776 soluções.
Com efeito, o número de soluções possíveis (factíveis e
não factíveis) de seqüenciamento é da ordem de (n !)(n !)mm,
onde nn são os itens e mm são os recursos envolvidos no problema.
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Complexidade do Problema Complexidade do Problema
Neste caso, considerando que um computador rápido leva um
segundo para processar (isto é, encontrar e avaliar) mil
soluções possíveis do problema, qual o tempo computacional
necessário para pesquisar todo o universo de soluções com o
objetivo de se encontrar a solução ótima ? Expresse este
tempo na maior unidade possível (isto é, segundos, minutos,
horas, dias, semanas, meses ou o que for apropriado).
331.776 soluções / 1000 soluções por segundo / 60= 5 ½ minutos
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24
Natureza Combinatória Natureza Combinatória ExplosivaExplosiva
Como este tempo computacional cresceria se o número de leitores passasse a ser cinco ?E se fossem seis leitores ?E se fossem sete ?
A tabela abaixo registra a evolução do universo de soluções e correspondente tempo de processamento:
Leitores/ Itens
Jornais /Máquinas
Universo deSoluções
Tempo deProcessamento
Requerido
4 4
5 4
6 4
7 4
331.776
2,1 x 10 8
2,7 x 10 11
6,5 x 10 14
5,5 minutos
2,4 dias !
8,5 anos !!
205 séculos !!!!205 séculos !!!!
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Técnicas para ResolverTécnicas para Resolver o Problema o Problema
Quais técnicas ou ferramentas de Administração, Sistemas
(Sistema Multiagente (SMA) , Planejamento e Controle e/ou
Pesquisa Operacional podem ser usadas para a solução do
problema ?
Ferramentas gráficas (e.g. gráficos de Gantt), métodos
analíticos ou matemáticos (e.g. programação linear,
programação combinatorial, programação inteira,
programação dinâmica) e métodos heurísticos,
baseados no bom-senso (e.g modelos de simulação
computacional).
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Métodos heurísticosMétodos heurísticosDiante da complexidade do problema de programação,
analisaremos agora quatro métodos estruturados para resolução do problema. São eles:
PROGRAMAÇÃO PARA FRENTEPROGRAMAÇÃO PARA FRENTE (pedido a pedido) => comumente (embora imprecisamente) chamado de “FORWARD PLANNING”
PROGRAMAÇÃO PARA TRÁS BASEADA NA ABORDAGEM PROGRAMAÇÃO PARA TRÁS BASEADA NA ABORDAGEM MRPMRP (pedido a pedido) => comumente (embora imprecisamente) chamado de “BACKWARD PLANNING”
PROGRAMAÇÃO BASEADA NA TEORIA DAS RESTRIÇÕESPROGRAMAÇÃO BASEADA NA TEORIA DAS RESTRIÇÕES (operação a operação) => também chamado de “PROGRAMA-ÇÃO MISTA”
PROGRAMAÇÃO POR SIMULAÇÃOPROGRAMAÇÃO POR SIMULAÇÃO (operação a operação) => também chamado (embora imprecisamente) de “PROGRAMA-ÇÃO POR CAPACIDADE FINITA”
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Programação por SimulaçãoProgramação por Simulação
Com os dados do problema dos Leitores, construa uma solução estruturada baseada na “PROGRAMAÇÃO POR PROGRAMAÇÃO POR SIMULAÇÃOSIMULAÇÃO (operação a operação)”. Utilize para tanto a seguinte lógica de construção:
Avance o “relógio da simulação” até o instante onde ocorre o primeiro evento significativo (por exemplo, a chegada de um material, o fim de processamento num recurso, etc.)
Com base no critério de prioridade adotado (MDE), identifique os pedidos que podem ser processados nesse instante no recurso em questão e selecione o mais prioritário para programação.
Repita o passo 2 até que todas as operações tenham sido programadas.
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28
Regras Heurísticas de CarregamentoRegras Heurísticas de Carregamento
PEPSPEPS (Primeiro a entrar deve ser o primeiro a sair)
MTPMTP (Item de menor tempo de processamento deve ser processado primeiro)
MDEMDE (Item com data de entrega mais apertada deve ser processado primeiro)
Maior MultaMaior Multa (Item que induz a maior multa deve ser processado primeiro)
Maior PreçoMaior Preço (Item que induz a maior preço deve ser processado primeiro)
Menor FolgaMenor Folga (Item que tem a menor folga calculada como:
(Data de entrega - Instante da decisão) - Tempo remanescente de processamento
Razão CríticaRazão Crítica (Item que tem a menor folga calculada como:
(Data de entrega - Instante da decisão) / Tempo remanescente de processamento
“... o número de regras de descarregamento de filas existentes só é limitado pela nossa ingenuidade ! ”
Você é capaz de imaginar outras regras heurísticas de descarregamento de filas ?
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29
I
A 0 Atraso
Freqüência
a) situação “quase ótima” em termos de cumprimento de prazo de entrega.
0 I
A
b) regra ignorando os tempos de processamento e datas de entrega.Ex: PEPS
0 I
A
c) regra baseada em tempos de processamento.Ex: MTP
0 I
A
d) regra baseada em data de entrega (carga e capacidade balanceadas).Ex: MDE
0 I
A
e) regra baseada em data de entrega (carga e capacidade desbalanceadas).Ex: MDE
PEDIDOSADIANTADOS
PEDIDOSATRASADOS
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30
Complicadores do ProblemaComplicadores do Problema
Tempos de preparação de máquina
Tempos de transporte
Descontinuidades do tempo (turnos, fins-de-semana, feriados)
Manutenção preventiva
Perdas históricas de capacidade (e.g. manutenção corretiva)
Disponibilidade restrita de ferramentas ou moldes (além das
máquinas)
Disponibilidade restrita de pessoal
Limitações de orçamento
Dinâmica de re-programação
Fabricação para posterior montagem
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PONTUALIDADE TOTALPONTUALIDADE TOTAL Diante de tal complexidade, como chegar Diante de tal complexidade, como chegar
lá ?lá ?
PONTUALIDADE PONTUALIDADE TOTAL é :TOTAL é :
Programar e controlar a produção tendo como meta
Entregar 100% dos pedidos no prazo de acordo com as especificações técnicas e o orçamento combinado
e assim
Desenvolver junto ao cliente uma reputação de excelência em termos de cumprimento de prazos
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PONTUALIDADE TOTALPONTUALIDADE TOTAL
Ações indicadasAções indicadas Como ser PONTUAL PONTUAL ?
1. Planejar antecipadamente2. Programar realisticamente considerando os limites existentes de capacidade3. Programar com folga4. Programar detalhadamente o curto prazo5. Explorar as possibilidades de seqüenciamento existentes6. Explorar as possibilidades ligadas ao uso de máquinas e roteiros alternativos7. Explorar as possibilidades de ajuste do nível de capacidade
(e.g. horas-extras, subcontratações)8. Explorar as possibilidades de apressamento (i.e. expeditação) de pedidos urgentes9. Explorar as possibilidades de antecipação do recebimento de materiais críticos10. Explorar as possibilidades ligadas ao uso de projetos, processos e materiais
alternativos11. Antecipar para os clientes possíveis problemas de entrega, quando inevitáveis12. Prometer prazos e/ou decidir aceitar encomendas considerando os compromissos
já assumidos13. Acompanhar o andamento e a pontualidade dos processos internos14. Replanejar rapidamente e sempre que fatos significativos aconteçam sem terem
sido previstos
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PONTUALIDADE TOTALPONTUALIDADE TOTAL
Ações indicadasAções indicadas Como fazer BARATO BARATO ?
15. Evitar grandes antecipações na produção de componentes não-críticos16. Apresentar os custos e benefícios de cada possível solução de programação17. Identificar as operações e recursos críticos para concentrar neles os ajustes de
capacidade (horas-extras, subcontratações)
Como fazer RÁPIDO RÁPIDO ?18. Programar para dispor dos equipamentos o mais cedo possível (e faturar o quanto
antes)
Como ser FLEXÍVEL FLEXÍVEL ?
19. Conhecer (representar) as alternativas de gestão de curto prazo para exploração sistemática
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Simulação com capacidade finita Simulação com capacidade finita Acionamento x Dimensionamento x ProjetosAcionamento x Dimensionamento x Projetos
Simuladores voltados a programação do dia-a-dia e acionamentoSimuladores voltados a programação do dia-a-dia e acionamentoFactor, Schedulex, Leitstand, AHP-Leitstand, Auto-sched, Moopi, MPSwin, Infor, CA-Quick, Pacemaker, Preactor, CB/Plan, Response Agent, Fact, MicroPlanner, Metashop, Job-shop, Syn-Quest, Ortems, AutoSched, Broner, Process, See-The-Future (BR)
Simuladores voltados ao dimensionamento do sistema de produçãoSimuladores voltados ao dimensionamento do sistema de produçãoPromodel, Arena, See-why, Forssight
Simuladores voltados a gestão de projetosSimuladores voltados a gestão de projetosScitor OS Suite, Concerto
Simuladores voltados a programação do dia-a-diaSimuladores voltados a programação do dia-a-diaManugistics, Goal System, Thru-put, Drummer, Rhythm
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Horários
Tipos de Operação
Situação
Custo Variável
Tempo Setup
Rendimento Classe
Estoques
Tipo: Contínuo, Taxa Habilitação Serventia:
Processamento, Setup, Transporte
Data
Acabado, Manufaturado
e Materiais,
Máquinas Operadores Ferramentas
Pedidos
Clientes
RecursosOnde
Plano de ProduçãoQuanto
EngenhariaO que e Como Faz
Fábrica
Exemplo simplificado de hierarquias de objetos e seus respectivos Exemplo simplificado de hierarquias de objetos e seus respectivos atributos para um simulador de manufatura (Fábrica)atributos para um simulador de manufatura (Fábrica)
Horários
Tempo de Transporte
Valor de Venda
Quantidade
Prioridade Tipo Item: Manufaturado
Itens
Unidade: Kg, Peças
Custo
Lista de Materiais
Componência
Lista de Operações e Alternativas
Roteiros de Produção
Alternativas de Recursos Taxa de Produção
Classe
Lote de Produção
Lote de Tranferência
Operador
Ferramenta
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FontesFontes
BITTENCOURT , Guilherme - Notas de Aula da Disciplina DAS 6607 - 2007
COSTA, R, 1996, Pontualidade total na produção sob encomenda: conceito, tecnologia e uso da simulação computacional na gestão do chão de fábrica. Ph.D dissertação, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brasil.
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